為什麼不同的塑料透明程度不同？

各種塑料製品在我們的生活中隨處可見，為我們帶來了極大的便利。如果仔細觀察一下就會發現，不同的塑料製品往往有著不同的透明程度。例如裝礦泉水的塑料瓶透明程度堪比玻璃，如果把一張報紙放在瓶子背後，可以清楚地辨認出上面的文字；而另外一些塑料製品則是半透明甚至完全不透明，例如一些裝牛奶和果汁的塑料瓶就是如此。

圖1 兩種常見的塑料：聚碳酸酯（上）和聚丙烯（下），厚度均為約3毫米，可見二者的透明程度有明顯差別。

為什麼不同的塑料製品透明程度不同？要回答這個問題，我們需要先來了解一下塑料製品是如何生產出來的。

塑料是高分子化合物的一種，也就是說，它是由許許多多的小分子之間發生聚合反應得到的分子量非常大的化學物質，發生聚合反應的小分子我們稱之為單體。例如常見的塑料聚乙烯，它的單體在常溫常壓下是一種氣體——乙烯。在合適的條件下，無數的乙烯分子互相拉起手來，就得到了聚乙烯。

圖2 由乙烯合成聚乙烯

看到上面列出的化學反應式，有些朋友可能會在腦海中浮現出這樣的畫面：在化工廠里，操作人員在生產線的一端通入乙烯的氣體，在另外一端，聚乙烯製成的塑料瓶、塑料杯和塑料盒等就源源不斷地生產出來。實際上，塑料製品的生產加工過程並非如此簡單，包括了原材料生產和塑料製品加工兩個環節。仍以聚乙烯為例，生產企業只負責讓乙烯分子互相之間發生反應，得到聚乙烯的粉末或者顆粒。這些粉末或者顆粒隨後會被交給加工企業，由它們負責生產出形狀各異的聚乙烯製品。

圖3 單體經聚合反應變成塑料後，通常並非直接得到成型的塑料製品，而是先被加工成粉末或者顆粒。

那麼塑料的粉末或者顆粒是如何在塑料加工企業的手上變成各種塑料製品呢？簡單來說，先將塑料加熱到一定的溫度以上，這個時候原本堅硬的塑料會變得像水一樣能夠自由的流動，雖然它們流動起來要比水慢許多，這樣的狀態稱為熔融態。由於可以流動，接下來就可以把熔融態的塑料注入到特定的模具中，賦予它新的形狀。最後將溫度降下來，新的形狀就被固定了下來^[1]。而正是在降溫的過程中，一系列微妙的變化發生了。

大家都知道，當溫度降低到零攝氏度，水會變成冰，這就是通常所說的結晶過程。在室溫下時，水的分子比較活躍，不停地朝著各個方向運動，因而它們之間的排列是雜亂無章的。一旦溫度降到零度或者更低，水分子就不再是這種雜亂無章的狀態，而是非常有規律地排列起來，形成晶體。這就好比在劇場里，當演出尚未開始時，觀眾大多在隨意走動和交談，可是一旦舞台大幕拉開，演出即將開始，大家會很快在座位上坐好。對於水這樣的小分子來說，只要溫度降得足夠低，結晶通常可以很快地進行，液體也可以全部變成晶體。

如果我們先讓劇場內的觀眾每十個人互相拉起手來。當演出即將開始，這些觀眾當然也想回到自己的座位上。可是當十個人連在一起後，行動起來就不像一個人那麼方便。而且周圍的人也全都是每十個互相連在一起，從這樣的人群中穿過自然也變得更加困難。當演出開始時，恐怕只有極少的十人組能夠坐到自己的座位上。如果互相拉起手來的不是十個人，而是一百個甚至一千個人，他們要結束隨意走動的狀態坐到座位上將會更加困難。塑料就屬於這樣的情況。塑料分子相當於成千上萬的小分子連接起來，因此當溫度降低時，它們結晶的速度要比小分子慢得多。

而且，即便延長時間，也很難看到一塊塑料全部變成晶體。絕大部分塑料不僅結晶很慢，而且很難讓全部的分子都形成晶體，例如聚丙烯這種常見的塑料只有50～60%的分子能夠形成晶體^[3]。

那麼無法結晶的塑料分子去了哪裡呢？如果溫度足夠高，這些分子當然繼續以可流動的熔融態形式存在。當溫度降低到室溫後，這些無法結晶的分子失去了流動的能力，也變成了固體。在這樣的固體中，塑料分子仍然雜亂無章地排列著，這種情況被稱為無定形態^[4]。我們見到的塑料製品，往往同時包括了這種塑料的結晶態和無定形態。當然，我們並不會觀察到一隻塑料盒中某個區域是結晶的塑料或是無定形的。這是因為這兩種形式的塑料固體並非像互不相容的油和水那樣完全分隔開。相反，塑料分子的晶體通常形成小的球形顆粒分散在無定形態的塑料中^[5]，這些球形顆粒的直徑往往在幾微米到幾百微米之間，這麼小的尺寸肉眼是很難分辨的^[6]。正是這樣的結構，讓塑料變得不透明。這又是為什麼呢？

我們都有這樣的體驗：向一杯水中加入少量牛奶，水就不會再想原來那樣澄清；晴朗的天空能見度非常好，而一旦出現大霧就很難看清遠處的物體。這些現象都是透明程度下降的典型例子，導致這些現象的 「罪魁禍首」也都是同一種光學現象——散射^[7]。

水之所以看起來是透明的，是因為光線可以直線穿過水和玻璃到達對面的物體，在物體表面發生反射後，反射光再次穿過水和玻璃到達我們的眼睛，讓我們可以看清對面的物體。然而如果往水中倒入牛奶，其所含的油脂和蛋白質分散在水中形成小液滴，在水中穿行的光遇到這些小液滴，入射光和反射光都有相當一部分就偏離了原先的軌跡，不再直線前進，而是向四面八方傳播開去，對面的物體在我們的眼睛裡就變得模糊了，這就造成了半透明的效果。如果倒入更多的牛奶，使得散射非常強烈，入射的光線完全不能穿過這杯水，全部回到了我們的眼中，我們就會覺得杯中的水是完全不透明的白色。同樣的道理，霧天能見度之所以下降，是因為飄浮在空氣中小水滴造成了光散射。

雖然同一種塑料的結晶態和無定形態化學結構相同，但是由於分子的排列不同，對於光來說這仍然是兩種不同的介質，因此當在無定形態的塑料中穿行的光遇到了晶體的小顆粒時，散射同樣會發生，於是塑料的透明程度就顯著下降了^[8]。

圖5 左上：散射現象不存在時，光能夠完全透過物體，人眼會感覺此物體是透明的； 右上：散射的存在使得光不能完全穿透物體，造成半透明的效果； 下：散射現象非常強烈時，所有光線都不能穿透物體，造成不透明的效果。

現在我們知道，造成塑料製品半透明或者不透明的直接原因是光的散射現象，但背後的原理則是因為塑料獨特的結晶過程。那麼我們有沒有可能讓塑料變得透明呢？敬請關注《為什麼不同的塑料製品透明程度不同》系列的下一篇：《解鈴還須繫鈴人》。

參考文獻和注釋：

[1] 實際上這裡描述的加工方法只適用於熱塑型塑料，這類塑料在高溫時可以流動，因而可以被反覆改變形狀。另一大類常見的塑料是熱固型塑料。熱固型塑料的生產加工一般是先將單體初步反應得到預聚物，預聚物隨後被注入到模具中，經過進一步的反應得到塑料製品成品。熱固型塑料在反應過程中分子之間發生了交聯，因而在高溫時不再能夠流動，也就是成型之後無法被再次加工。

[2] http://www.technologystudent.com/equip1/plasextru1.html

[3] http://pslc.ws/macrog/pp.htm

[4] 熔融態的塑料失去流動性形成無定形態的溫度稱為玻璃化轉變溫度。常見塑料的玻璃化轉變溫度都高於室溫，但也有一些例外，例如聚乙烯和聚丙烯的玻璃化轉變溫度都低於室溫。因此在室溫下，這些塑料中沒有結晶的部分實際上仍然處在熔融態。

[5] 實際上這種球形顆粒並非完全由晶體組成，而是由許多從同一中心出發沿著徑向生長的片狀晶體組成，夾在片狀晶體之間的是無定形態的塑料分子。這種形態被稱為球晶。

[6] 結晶態和無定形態的塑料光學性質往往差別不大，因而即便普通的光學顯微鏡也難以分辨，觀察球晶通常需要使用偏光顯微鏡。

[7] 當顆粒的尺寸與可見光的波長相仿時，光的散射會非常強烈。塑料晶體顆粒的尺寸一般都在這個範圍。

[8] 塑料製品的透明程度當然還與其他許多因素有關。例如同一種材料，厚度越大，越容易變得不透明。表面處理也可以改變塑料製品的透明程度。

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